Unoszący się balon

Poprawna odpowiedź

 T, N, T

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
4 Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy przeczytanych tekstów (w tym popularno-naukowych).

Wymaganie szczegółowe

3.3. Właściwości materii. Uczeń posługuje się pojęciem gęstości
3.6. Właściwości materii. Uczeń posługuje się pojęciem ciśnienia (w tym ciśnienia hydrostatycznego i atmosferycznego)
8.2. Wymagania przekrojowe. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętność analizowania i wyjaśniania zjawisk fizycznych zachodzących w otaczającym nas świecie oraz wyciągania wniosków z rezultatów tych zjawisk w oparciu o znane prawa fizyki.

Wszyscy doskonale zdajemy sobie sprawę z przyciągania ziemskiego, doświadczamy tego na co dzień. Chodzimy, poruszamy się po powierzchni Ziemi, trudno nam unieść się nad ziemię - jesteśmy w stanie podskoczyć zaledwie na kilkadziesiąt centymetrów w górę.

Powietrze również jest przyciągane przez ogromną masę, jaką jest Ziemia i dlatego gromadzi się wokół Ziemi, tworząc wielokilometrową warstwę atmosfery.

Siła oddziaływania grawitacyjnego Ziemi, działająca na każdą masę znajdującą się w zasięgu jej działania jest tym większa, im bliżej środka Ziemi znajduje się ta masa, czyli cząsteczki gazów w atmosferze bliżej powierzchni Ziemi są przyciągane z większą siłą niż cząsteczki gazów znajdujących się w górnych warstwach atmosfery. Zatem cięższe gazy atmosfery opadają najniżej, a lżejsze ‘trzymają się’ wyżej. Gęstość atmosfery jest największa tuż przy powierzchni ziemi (jest tam więcej cząsteczek niż w górnych warstwach) i zmniejsza się znacznie wraz z wysokością. Prawdziwe stwierdzenie Kamila nr 3.

Przeanalizujmy siły, które działają na balon w czasie jego lotu w powietrzu: w dół ściąga go siła grawitacji, a w górę pcha go siła wyporu powietrza. Aby balon mógł poruszać się w górę, co ma miejsce w początkowej fazie lotu, działająca na niego wypadkowa siła musi być skierowana do góry. Stąd wniosek, że siła wyporu powietrza musi być większa od siły grawitacji. Później, kiedy balon nabierze już wysokości i będzie utrzymywać się na tym samym poziomie, siły te będą się równoważą. Zatem, aby w ogóle był możliwy ruch balonu w górę, siła wyporu powinna być większa od siły grawitacji ziemskiej. Jest to możliwe tylko wtedy, kiedy gęstość całego układu (balon z powietrzem wraz z koszem z ludźmi) jest mniejsza od gęstości powietrza otaczającego balon. Chociaż gęstość kosza razem z ludźmi jest oczywiście większa od gęstości powietrza, jednak gęstość samego gazu w balonie jest na tyle mała, że w rezultacie średnia gęstość całego układu jest mniejsza od gęstości powietrza i balon jest w stanie unosić się w powietrzu. Wskazuje to na prawdziwość stwierdzenia 1.

Jacek w stwierdzeniu 2 wysunął przypuszczenie, że gęstość przyczepionego do balonu koszyka wraz z pasażerami jest większa od gęstości powietrza. Wnioskowanie to jest całkowicie słuszne, jednak nie jest ono odpowiedzią na pytanie „Dlaczego balon unosi się w powietrzu?”.

Zadanie zostało wykorzystane w badaniu pilotażowym przeprowadzonym wśród uczniów klas pierwszych liceów ogólnokształcących. Około 46 % spośród wszystkich badanych rozwiązało całe zadanie prawidłowo. Pierwsze dwa stwierdzenia okazały się dla uczniów łatwe. Poprawnie wybrało odpowiedzi odpowiednio 84% i 87% badanych. Zdecydowanie trudniejsze było stwierdzenie 3 o zmniejszaniu się gęstości atmosfery z wysokością. Zaledwie 56% uczniów biorących udział w badaniu zakreśliło prawidłową odpowiedź.  

Słowa kluczowe